烧结技术综述

1文献综述
1.1烧结生产概况
1.1.1烧结及其发展
烧结法是迄今为止除北美以外使用最为广泛的铁矿石造块方法。

自20世纪80年代起烧结技术得到了快速发展，主要体现在烧结工艺和新技术的研究开发和应用上。

烧结工艺方面如自动化配料、混合料强化制粒、偏析布料、冷却筛分、整粒技术及铺底料技术等；新技术主要表现为球团烧结技术、小球烧结技术、低温烧结技术等。

上述工艺和技术目前已经在大部分钢铁企业推广应用，并取得了显著的经济效益。

1897年，T.Huntington和F,Heberlein申请并注册了第一个有关烧结方面的专利。

1905年，E.J.Savelsberg首先把T.Huntington-F.Heberlein烧结杯用于铁矿石烧结，从而开辟了烧结法进行铁矿粉造块的新纪元。

在当今的冶金生产中，烧结已成为一道重要的单元工序并占有相当重要地位。

据统计，全世界约有一半的生铁是用烧结矿生产的。

过去十年中，世界上烧结矿年产量维持在538×106t~586×106t范围内。

从1989年起，由于独联体和其他部分东欧国家发生巨变，因此，它们的钢铁工业进行了重新调整，导致烧结矿产量有所下降。

欧洲和日本的经济衰退也影响了产量，但是不久烧结矿的产量又慢慢恢复。

东欧和独联体的产量将下降，而中国、朝鲜和台湾的产量将继续上升。

尽管出现新的炼铁工艺，但是在下一个十年中或更长的时间内，它们仍不可能对高炉产量有巨大影响。

因此，烧结矿产量在未来相当长的时间内仍将维持在目前水平。

1.1.2烧结生产目的
铁矿粉烧结是一种铁矿粉造块的方法，是将细粒含铁物料与燃料、熔剂按一定比例混合，再加水润湿、混匀和制粒成为烧结料，加于烧结设备上，点火、抽风，借助燃料燃烧产生高温和一系列物理化学变化，生成部分低熔点物质，并软化熔融产生一定数量的液相，将铁矿物颗粒润湿粘结起来，冷却后，即成为具有一定强度的多孔块状产品一侥结矿。

烧结生产的目的主要是：
1.将粉状物料制成具有高温强度的块状料以适应高炉冶炼、直接还原等在流体力学方面的要求；
2.通过烧结改善铁矿石的冶金性能，使高炉冶炼指标得到改善；
3.通过烧结去除某些有害杂质，回收有益元素以达到综合利用资源和扩大炼铁矿石原料资源的目的。

1.1.3烧结反应过程
烧结反应过程是分层依次向下进行的。

抽入的空气通过已烧结好的热烧结矿
层预热，在燃烧层中使固体碳燃烧，放出热量，获得高温(1300℃~1600℃)。

料层在加热过程中，熔点较低部分首先出现液相，将周围物料浸润和熔融，相邻液滴产生聚合，引起收缩和形成气孔，并在冷却过程中固结和产生结品，成为具有一定强度的多孔烧结块。

烧结过程中基本的液相是硅酸盐和铁酸盐体系。

从燃烧层下抽出的高温废气，经预热干燥层，将热量传给烧结料，使烧结料着火，将料中的游离水和化合水蒸发和分解。

废气继续下行，温度继续降低，其中水分又重新凝结，使物料过湿。

如将烧结料预热到一定温度，可以消除过湿现象。

1.2烧结矿的烧结特性
烧结矿的质量主要指它的冷态强度和冶金性能。

冷态强度主要指机械强度;冶金性能主要指还原性、低温还原粉化性、高温软化和熔滴性。

烧结特性的研究是研究烧结矿的矿物组成和微观结构及其生成机理和对外部工艺条件的依赖关系，以便在烧结生产中有目的的控制烧结的反应过程和微观结构，以提高烧结矿的质量。

众所周知，由于高炉是逆流工艺，固体炉料相对上升气流而下降，所以必须供应块状的含铁炉料。

因此，必须通过烧结法或球团法将粉块造成块状。

烧结矿是高炉炼铁的基本原料之一，高炉生产要想实现良好的运行，就必须要求炉料具有较高的冷态强度和良好的冶金性能。

1.2.1机械强度
机械强度指烧结矿在自然条件下的强度，一般用转鼓指数或落下指数表示。

烧结矿转鼓指数与高炉冶炼指标有密切的关系。

西德克虏伯公司NO7及NO8高炉的生产实践说明:烧结矿的机械强度与高炉产量存在着较好的线性关系;石钢提高烧结矿强度的工业实验表明:烧结矿强度上升 4.35%，则高炉利用系数提高0.116t/(m3·d)，焦比下降28kg/t。

因此要提高高炉冶炼指标，就必须提高烧结矿的机械强度。

烧结矿的强度是受多方面影响的，主要有以下几点：
1.原料破碎粒度
一些研究者指出，如果原料破碎粒度较大，就会导致它们在烧结过程中不可能熔融。

如石灰的残余物遇水以后形成Ca(OH)2，使烧结矿破裂。

2.单个矿物的强度
Loo等人研究了不同矿物的破裂强度，发现矿物强度按下列顺序递减:原生赤铁矿>次生赤铁矿>磁铁矿>SFCA>玻璃质。

也就是说，在所有的矿物中玻璃质的强度是最低的。

因此要使烧结矿强度增加，就要从结构消除这些玻璃质以及尽可能使它转变为结晶体。

3.烧结矿的矿物组成
烧结矿是一个由多种矿物组成的复合体。

一般说来，烧结矿的矿物组成为:
含铁矿物是磁铁矿、浮士体、赤铁矿；粘结相中有铁橄榄石、钙铁橄榄石、硅灰石、硅酸二钙、硅酸三钙、铁酸钙和钙铁硅石。

但是根据原料条件及烧结工艺条件的不同，其矿物组成各异。

如当铁矿脉石中氧化镁含量较高时，会出现新的矿物：钙镁橄榄石、镁黄长石及镁蔷薇辉石等，它们会使硅酸二钙生成量相对减少，粘结相增加且固溶于硅酸二钙中，对β硅酸二钙相变有稳定作用。

这些都有助于提高烧结矿的强度。

1.2.2还原性
还原性是冶金性能的基础，烧结矿还原性对高炉冶炼，尤其对加强稳定性和降低焦比有很大影响，许多冶金工作者进行了大量的研究工作，发现还原度和烧结矿矿物结构、矿物组成及碱度有很大的关系。

1.烧结矿的矿物结构对还原性的影响
磁铁矿是主要的含铁矿物，晶粒细小密集而粘结相少的磁铁矿容易还原;而大块磁铁矿或者被硅酸盐包裹时均难还原或者只是表面还原。

另外气孔率高(大孔和微孔)晶体嵌布松弛以及裂纹多的组织也容易还原。

2.烧结矿的矿物组成对还原性的影响
赤铁矿和磁铁矿作为主要的含铁矿物，它们都能还原成浮士体，但进一步还原成金属的速度不同[24J。

赤铁矿还原的浮士体能均匀、迅速地还原，即使其中一部分被金属所包裹。

而磁铁矿还原的浮士体的还原是表面的化学过程，几乎所有的颗粒被金属迅速包裹，阻止了进一步还原。

SFCA的还原性与其形态、气孔率以及它是否在玻璃体中有关。

低温下生成的针状SFCA较易还原，而高温下生成的柱状SFCA难于还原。

Bristow等人研究了气孔率对还原率的影响，发现SFCA稳固了还原过程中产生的气孔，导致气孔率和还原度增加。

3.二烧结矿的碱度对还原性的影响
在碱度特别低的烧结矿中，由于液相少，含铁矿物暴露面积大，因而有较好的还原性。

随着碱度的提高(超过酸性烧结矿，一般在1.0以上)，烧结矿的气孔率增加，难还原的铁橄榄石被钙铁橄榄石所代替，烧结矿的还原性也就变好。

有些烧结矿在碱度2.0以上时，还原性又变坏，这可能由于相对还原性差的铁酸二钙出现的缘故。

1.2.3低温还原粉化性
低温还原粉化性能是指铁矿石在低温还原条件下矿石还原粉化性能，它是衡量铁矿石在高炉上部块状带性能的一项指标，对高炉冶炼具有极大的影响。

国外研究表明，烧结矿RDL3.15，每提高5%，焦比增加约3kg，生铁产量下降1.5% ~5%。

另外，烧结矿低温还原粉化对炉龄、炉墙及热损失都有很大的影响。

冀东铁矿粉粒度粗，含Si和A12O3高，含P低，极易发生低温还原粉化现象，所以研究烧结矿发生低温还原粉化的机理及影响因素是非常重要的。

烧结矿发生低温还原粉化的最根本原因是烧结矿中的再生三氧化二铁在低温(450℃~550℃)时，由α-Fe2O3还原成γ-Fe3O4。

由于前者为三方晶系六方晶格，而后者为等轴晶系立方晶格，在还原气体的作用下发生了晶格的改变，造成了结构的扭曲，产生极大的内应力，导致在机械作用下严重的破裂。

影响烧结矿发生低温还原粉化的因素主要有微观组织结构、烧结矿碱度和其它成分(如MgO，A12O3，FeO和TiO2)。

1.2.4高温软化及熔滴性
在过去20年中.由于日本和德国对运转的高炉进行熄火和解剖研究，人们对高炉内部状态的了解在本质上大大增加。

这些研究发现炉料在软熔带上部开始软化，在软熔带下部开始熔融。

由炉料软化到开始滴落这个区间形成一个与焦炭层交替的软熔带，其透气性很不好.因此高炉内软熔带对高炉操作，尤其对生产率有显著影响。

一个窄的软熔带，即软化和熔融之间的温度区间小在实际高炉操作中是非常必要的。

所以对软熔带内炉料的高温软化及熔滴性能进行研究具有重要的意义。

1.MgO对高温性能的影响
在烧结混合料中添加MgO将大大改善烧结矿的高温性能。

这主要是由于MgO提高了烧结矿软化和熔融温度，增加了烧结矿在高温还原过程中料层的透气性。

2.碱度对高温性能的影响
由于提高碱度能导致较高的熔化温度和较低的气流阻力，因此提高碱度能改善烧结矿高温性能。

一些研究指出烧结矿碱度对达到软熔带的初始还原度有重要影响，当碱度超过1.4时，还原度达到最大值。

Beppler等人也提出碱度提高到1.7以上将导致软熔带较宽。

1.3烧结矿的矿物组成和显微结构对其质量的影响
烧结矿的质量主要表现在它的强度、还原性及低温还原粉化性上，它们与粘结相的发展程度、结晶条件、粘结相矿物的强度和还原性等有关。

由于液相冷却析晶时，浓度及温度的不均匀性以及矿物本身的特点不同，各种集合体可以以树枝状、针状、柱状、片状，板状等形式凝固组成，而这些不同形状的集合体的强度和还原性又有很大的差别，因此烧结矿冷凝时形成的矿物组成及其结构对烧结矿的性能有着重要的影响。

1.3.1烧结矿中不同矿物组成和显微结构对其强度的影晌
1.烧结矿中各种矿物自身强度对其强度的影响
近几年来国内外学者对烧结矿中各种矿物的机械强度作了大量的研究工作，发现烧结矿中的磁铁矿、赤铁矿、铁酸一钙、铁橄榄石、铁黄长石有较高的抗压
强度，其次则为钙铁橄榄石、钙镁橄榄石及铁酸二钙，在钙铁橄榄石中，当χ=1.0时，其抗压性、耐磨性及脆性的指标均与前一类接近或超过，当χ=1.5时，其强度相当低。

而且易产生裂纹，它的晶格常数接近于2CaO·SiO2。

研究表明:铁酸钙的抗压强度为363N/cm2，玻璃相仅为45N/cm2。

因此在烧结矿的结构中应尽量减少玻璃相的形成，这有利于提高烧结矿的强度。

2.烧结矿在冷却过程中产生的内应力对其强度的影响
在冷却过程中，产生不同的内应力:
1)由于烧结矿表面与中心存在温差而产生的热应力。

这种应力主要取决于冷却条件，可采用缓冷或热处理的方法来消除。

2)烧结矿中各种不同矿物具有不同热膨胀系数，因而引起各矿物之间的应力，因此减少烧结矿中的矿物组分，有利于提高烧结矿强度。

3)熔剂性烧结矿中硅酸二钙在冷却中的多晶转变所引起的相变应力。

通常在熔剂性烧结矿中主要出现介β-C2S和γ-C2S。

当β-C2S在冷却转变为γ-C2S时，由于相变，体积膨胀10%，因而产生极大应力，导致烧结矿自动粉碎。

3.烧结矿中矿物组分的多少对其强度的影响
1)非熔剂性烧结矿，其显微结构为斑状或共晶结构，其中磁铁矿斑晶被钙铁橄榄石和少量玻璃相所固结，因而强度好。

2)熔剂性烧结矿，其显微结构呈斑状结构，其中的磁铁矿斑晶被钙铁橄榄石、玻璃相以及少量的硅酸二钙和铁酸钙等所固结，强度较差。

3)高碱度烧结矿，其显微结构为熔蚀或共晶结构，其中的磁铁矿与铁酸钙等一起固结，具有良好的强度。

1.3.2烧结矿的矿物组成和显微结构对其还原性的影响
1.烧结矿的矿物组成对其还原性的影响
研究表明:赤铁矿、磁铁矿、铁酸半钙、铁酸一钙、铁酸钙容易还原，铁酸二钙、铁铝酸四钙还原性稍低，而玻璃相和钙铁橄榄石，特别是铁橄榄石是难还原的矿物。

如非熔剂性烧结矿的气孔壁大部分是由铁橄榄石和玻璃相组成，而熔剂性烧结矿的气孔壁则由钙铁橄榄石、玻璃相及铁酸钙等组成，所以在同样的气孔度条件下，非熔剂性烧结矿的还原性比熔剂性烧结矿差。

随着烧结矿碱度的提高，烧结矿气孔率增加，难还原的铁橄榄石被钙铁橄榄石和铁酸钙所代替，因而在高碱度烧结矿中因有大量的铁酸钙固结，所以它的强度及还原性都好。

该类型烧结矿在今后生产中应大力发展。

2.烧结矿的显微结构对其还原性的影响
烧结矿的结构对其还原性影响也很大。

例如当磁铁矿晶粒细小，其品粒间粘结相也很少，这种烧结矿在800℃时容易还原，而大颗粒磁铁矿被硅酸盐粘结相包裹时，则难还原或只表面还原。

另外，气孔率高，矿物晶体嵌布松弛以及裂纹多的结构，虽然其强度较差，但却容易还原。

关于单矿物的还原性，还可以从结
晶化学的观点来说明:晶格能低的晶体容易还原，晶格能高的晶体则还原性差。

3.烧结矿的矿物组成和显微结构对其低温还原粉化性能的影响
还原过程中产生的内应力主要是由于烧结矿中赤铁矿逐级还原时体积发生膨胀引起的。

1000℃时，赤铁矿在被CO-CO2混合气体还原过程中体积变化如下:
Fe2O3→Fe3O4→FeO →Fe
相对体积/% 100 125 132 127
磁铁矿及浮士体的晶格都是立方晶格，在第二阶段还原时体积变化很小，最后从浮士体还原为铁，因为铁的分子体积比氧化物的小而伴随着体积的收缩。

研究表明:烧结矿的裂纹普遍发生在骸晶状的次生赤铁矿晶体集中处，如果赤铁矿周围和玻璃相及赤铁矿内部有较多的气孔，它就能够缓和赤铁矿向磁铁矿转变时低温还原相变力，阻止裂纹扩散。

1.4烧结新工艺和技术
1.4.1厚料层烧结
厚料层烧结作为20世纪80年代开始发展起来的烧结技术，近二十年来得到了广泛应用和快速发展。

普遍认为厚料层烧结能够改善烧结矿强度、提高成品率、降低固体燃料消耗和总热耗、降低FeO含量并提高还原性。

由于厚料层烧结具有种种优点，我国烧结行业的料层厚度也从20世纪80年代以前的300mm 以下逐步提高到500mm左右，少数厂家已提高到600mm~800mm。

料层厚度的大幅度提高，使烧结机台时产量相应有所降低。

因此，伴随着厚料层的发展，低温烧结、小球烧结、燃料分加和均质烧结等新技术也相继诞生和采用。

厚料层烧结能降低燃耗，主要是充分利用了烧结过程的自动蓄热作用，其蓄热量随料层的提高而增加。

厚料层与烧结矿质量关系主要表现在:提高转鼓强度、减少烧结矿粉末、降低含量和提高还原性。

原因在于:料层提高后，机速变缓，点火时间延长，上部供热增多，有利于改善中上部烧结矿质量，从而提高整个烧结矿强度，降低粉末;料层提高后充分利用蓄热，在保持同样烧结矿强度下，可用低碳操作，将风量提高，为烧结过程提供较高氧化性气氛，有利于降低FeO，促进铁酸钙的形成，因而增加了烧结矿的强度及还原性.
1.厚料层与烧结速度
烧结机单位时间的产量与烧结料的垂直烧结速度、烧成率和成品率成正比，也就是说，垂直烧结速度的快慢直接影响到产量的高低。

而影响垂直烧结速度的主要因素是烧结过程中料层的透气性和通过料层的有效风量。

料层的透气性应该包括烧结料在点火前的初始透气性和烧结过程的透气性。

初始透气性的好坏，取决于原料的特性、制粒效果、混合料水分和粒度组成。

而影响烧结过程透气性的关键是最高温度水平及熔融层的厚度和过湿层的形成。

对于烧结同一种混合料而言，其初始透气性相同。

随着料层厚度的提高，通过料层风量的阻力增加，原因有四：其一，料层提高，空气通过料层的路径延长，压力损失增大；其二，随料层厚度增加，在料层的重力作用下，下部料被压紧，因而阻力增加；其三，在料温较低的情况下，易产生过湿，导致透气性恶化；其四，料层提高后，高温熔融层厚度相对增加，也将造成阻力增加(当然，在燃料用量相对减少的条件下可抵消部分影响)。

由于料层提高后，空气阻力增加，通过料层的风速降低，风量减少，造成垂直烧结速度下降。

烧结速度随料层提高而降低的另一个原因是漏风率增大。

由于料层不断提高，料层的阻力不断增大，烧结机的抽风负压随之升高，造成漏风率上升。

2.厚料层与成品率
烧结料层提高后，成品率提高。

其主要原因在于:料层提高后，表层未烧好及强度较差的烧结矿相对减少。

另外，随料层提高，机速减慢，点火时间相应延长，使料层上部供热比较充足，表层烧结矿强度得到改善。

同时，由于整个烧结过程热交换充分，料层内自动蓄热增加。

高温保持时间延长，整个烧结矿的强度都得到提高，因此烧结矿的成品率增加。

3.厚料层对烧结矿产量的影响
在烧结原料和抽风机等设备条件一定的情况下，提高料层厚度，由于料层阻力增加会导致垂直烧结速度降低，并影响到烧结矿产量。

但另一方面，它又能提高烧结矿成品率，所以，分析厚料层对烧结产量的影响，必须综合考虑二者的交互作用。

当烧结速度降低的负面影响等于或小于成品率提高的正面影响时，产量不会降低，甚至可能提高，相反，则产量会降低。

4.厚料层对转鼓强度的影响
厚料层烧结能提高烧结矿的转鼓强度，厚料层烧结之所以能改善烧结矿强度，主要是随着料层提高，自动蓄热作用增强，料层内高温保持时间相对增加，有利于各种物理化学反应的充分进行，以及粘结相矿物的结晶和再结晶，晶粒发育良好，使烧结矿的结构得到改善。

另外，表层烧结矿比例减少也是强度提高的原因之一。

所以，整个烧结矿的强度得到提高。

影响烧结矿强度的因素也是多方面的，除了料层厚度以外，碱度也与之有密切关系。

料层提高以后，烧结矿中的FeO含量降低，这也是众所周知的事实。

为什么提高料层后能降低烧结矿的FeO含量，其主要原因是由于厚料层烧结的“自动蓄热”作用加强，能够减少固体嫉料配入量，使烧结过程增加氧化性气氛，同时料层内最高温度有所下降，使低价铁的氧化增加，高价铁氧化物的分解减少，因此使FeO含量减少。

当然，影响烧结矿FeO含量的因素还很多，如烧结矿碱度、原料结构及操作制度等。

同时，过去的高FeO与大水大碳、薄铺快转的操作方法有关，而今FeO含量降低，也与低水低碳、厚铺慢转的操作方针有关。

研究结果和生产实践表明，厚料层烧结能改善烧结矿的还原性。

一般来说，FeO越低，还原性越好。

厚料层烧结降低了烧结矿中FeO含量，所以其还原性
也得到改善。

另外，还原性与烧结矿的结构有关。

因为厚料层烧结时，料层内高温保持时间相对增加，有利于粘结相矿物的结晶和再结晶，烧结矿中晶体发育完全，多呈自形晶和半自形晶，气孔大小与分布趋于均匀，为还原过程创造了良好的条件。

5.厚料层与燃料消耗
大量的生产统计数据表明，烧结料层厚度每提高l0mm，固体燃料消耗可降低lkg/t~3kg/t，厚料层烧结能够降低固体燃耗，主要是由于烧结过程中自动蓄热的结果.一般情况下，自动蓄热作用能提供燃烧层所需热量的40%左右(指离表层100mm以下)。

其次，采用低碳操作，料层内氧化性气氛较强，料层的最高温度水平不会过高，可增加低价铁氧化物的氧化反应，又能减少高价铁氧化物的分解热耗，有利于生成低熔点粘结相，这些都可以促使嫩料消耗的降低。

总之，厚料层作业不使烧结减产的途径有:提高料层透气性；提高风机的抽风负压能力及降低料层阻力，堵塞漏风;以上两者并举。

但是，在实际生产过程中，各烧结厂的原料条件、生产条件和影响因素各不相同，得到的烧结矿质量差异也很大，甚至有的达不到高炉生产的需要，所以本试验重点是根据唐钢提供的原料反复进行试验，得出适合唐钢烧结厂烧结的合理生产条件，提高该厂烧结矿的质量和产量。

1.4.2双层烧结
为了克服烧结矿上下层质量不均匀和节约燃料，可以分层布料，使烧结混合料层含碳量自上而下逐层减少。

也可以将混合料先铺台车高度的50%~70%，点火烧结，当其进行到料层阻力下降时，再在其上铺其余的料，并进行第二次点火，这样在同一横断面上有两个烧结层同时向下移动。

分层布料和双层烧结工艺，在进入一混中的料内加入的是满足下层烧结所需要的碳量。

一混的混合料分两路进入两个二混，其中一个起原来二混调整水分和造球的作用，另一个则在调水制粒的过程中再添加部分碳以满足上层烧结的需要。

在实际生产中，往烧结台车上先布含碳低的混合料，再布含碳高的料，然后点火烧结。

这样可以节约1/5~1/4的固体燃料，而且烧结矿质量得到明显改善。

1.4.3提高混合料预热温度
生产实践和理论计算表明，导致混合料中水分冷凝的露点温度为50℃~60℃，所以如果将料温维持在60℃以上就可以防止大量水分冷凝。

生产中应用热返矿预热混合料，可使料温预热到40℃~50℃，尽管达不到露点温度以上，但对消除过湿现象起了一定的作用。

利用蒸汽在二混机上预热混合料到60℃以上是较有效的措施。

首钢采用此措施将混合料温由57.4℃提高到87.7℃，垂直烧结速度由27.1mm/min提高到35.7mm/min，产量提高了31.9%。

国外还有的用燃烧高炉煤气和天然气等方法预热混合料，也取得了较好的效果。

如前所述，混合料预热是为了将混合料温度提高到(或接近)露点，使气流温。